Пробуждение силы
Происхождение ветряных мельниц затеряно во тьме веков. Стандартная для рунета формулировка «мельницы впервые упоминаются в 1750 году до н. э. в кодексе вавилонского царя Хаммурапи» терпит научный крах, стоит только открыть месопотамский свод законов. Невероятно прогрессивный для своего времени, этот кодекс регламентирует все на свете, но мельниц не касается вообще: зерно там мололи исключительно вручную при помощи каменных терочников и рабского труда.
Следующей на роль родителя загадочного механизма пробуется Греция. Математик Герон Александрийский в I веке н. э. придумал и описал ветряное колесо для органа — устройство ловило дуновения воздуха и поршнем накачивало меха инструмента. Но эта изящная машина была лишь акустической забавой эллинов, а не силовой установкой: механическую работу греки предпочитали перекладывать на течение рек или мускулы скота.
Наступают темные века — период между падением Западной Римской империи и эпохой Ренессанса, когда инженерия античности казалась забытой. Но именно в эту эпоху зародились настоящие механические гиганты, которым суждено было преобразить ландшафт Евразии.
Новая надежда: Персидская панемона
Первое достоверное упоминание ветряных мельниц в исторических документах относится к Персии (современная граница Ирана и Афганистана, провинция Систан) и датируется IX–X веками н. э. Арабский географ Аль-Истахри писал: «…Земля ветров и песков, где воздух никогда не затихает, а жители запрягли бурю в колесо, чтобы молоть зерно и черпать воду из колодцев».
Великаны, чей исторический след так тяжело было обнаружить в европейских хрониках, имели вертикальную ось вращения и от 6 до 12 лопастей-крыльев из камыша и тростника. В отличие от привычных нам европейских ветряков с горизонтальным валом, персидские мельницы работали по принципу чашечного анемометра (панемоны).
Главный недостаток вертикальной мельницы Систана — лобовое сопротивление лопасти, идущей навстречу ветру. Персидские зодчие решили проблему возведением полузамкнутых глинобитных башен-раструбов: ветер вдувался только в открытую щель, толкая рабочие крылья, а возвратное полукружие пряталось в аэродинамической тени стены. Тем не менее, КПД такой системы редко превышал 15–18%.
🌀 Лаборатория кинематики ветряной мельницы
Интерактивная физическая модель: сравните персидскую и европейскую системы передачи крутящего момента
Атака клонов: Европейский триумф
Исламские ученые настаивают, что популяризацию мельниц в Европе обеспечили Крестовые походы. Однако европейские мастера создали принципиально иную машину: горизонтальный вал, на который надевались гигантские парусиновые крылья, и угловая деревянная передача с кулачным колесом и цевочной шестерней (lantern pinion).
Первая задокументированная вертикальная мельница в Европе появилась в 1185 году в йоркширской деревушке Уигли. Оттуда инженерное новшество стремительно перешагнуло Ла-Манш и заполнило равнины Фландрии, Германии и Франции.
Мельницы помогали европейцам во всем — от производства специй и отжима льняного масла до распиловки корабельного леса и осушения польдеров. Но главными мастерами мельничного дела стали голландцы. Нидерланды превратились в самое механизированное государство раннего Нового времени: именно тысячи ветряных водокачек вычерпали морскую воду из низин, отвоевав у Северного моря плодородные земли.
Суммарное количество ветряных мельниц в мире к 1850 году превышало 200 тысяч штук! В одной только маленькой Голландии их насчитывалось более 10 000.
Империя наносит ответный удар: Пар против Ветра
– Да вот они перед тобой! – ответил Дон Кихот. – Видишь, какие у них огромные руки? У иных чуть ли не в две мили длиною…» Мигель де Сервантес, «Хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский» (1605)
Промышленная революция XIX века нанесла деревянным великанам удар, от которого те оправиться не смогли. Паровые машины Джеймса Уатта не зависели от капризов розы ветров, штиля и ураганов. Паровая мельница работала круглые сутки с постоянной скоростью вращения вала, обеспечивая безупречно ровный помол.
Вытесненные паровыми турбинами и дизелями, ветряки массово разбирались на дрова или сжигались. К началу XX века тысячи мельниц по всей Европе пошли под снос, уступая место чугунным паровым станциям.
Возвращение джедая: Ветроэнергетика XXI века
Ветряные мельницы вернулись неожиданно. Спасителем древней технологии стала Скандинавия: страны, небогатые углеводородами, во второй половине XX века осознали ценность неисчерпаемого ветра Северного моря.
Сегодня Дания производит более 50% всей своей электроэнергии с помощью гигантских морских ветропарков. Современный морской ветрогенератор мощностью 15 МВт с диаметром ротора 236 метров — прямой потомок скромной систанской панемоны и голландской шатровки.
Скрытая угроза: Что делать с лопастями?
Единственная технологическая проблема современных ветряных великанов — композитные лопасти из стеклопластика и углеволокна. В отличие от дубовых спиц средневековых мельниц, полимерные смолы не гниют и практически не поддаются пиролизу.
К 2035 году масса отработавших лопастей в мире превысит 2 миллиона тонн. Впрочем, инженеры уже находят остроумные решения: в датском Ольборге из списанных лопастей строят футуристические велосипедные парковки, мостовые перекрытия и навесы.
Великаны Сервантеса не исчезли. Они лишь сменили дерево на углепластик, парусину — на аэродинамический профиль, а каменные жернова — на синхронные генераторы с постоянными магнитами, продолжая служить человечеству вот уже второе тысячелетие подряд.